高海英 朱望純 高志昊 薛文忠

摘 要： 為了提高測控網(wǎng)絡(luò)的時鐘同步精度，在現(xiàn)有IEEE 1588協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)時鐘基礎(chǔ)上，提出基于自回歸算法的時鐘同步設(shè)計。通過建立自回歸時鐘漂移模型，利用一階卡爾曼濾波器對主從時鐘的時鐘偏差和漂移進行估計，根據(jù)估計值對時鐘進行補償和修正，并在測控網(wǎng)絡(luò)失去最高主時鐘信號的情況下，預(yù)測時鐘漂移量以維持主從時鐘同步。試驗結(jié)果表明，該設(shè)計能有效降低時間戳獲取精度對時鐘同步的影響，使同步精度達到10 ns，并提高了系統(tǒng)在離線狀態(tài)下的同步可靠性。

關(guān)鍵詞： 時鐘同步； IEEE 1588協(xié)議； 自回歸； 卡爾曼濾波； 時鐘漂移預(yù)測； 測控網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號： TN02?34； TP216.1 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）13?0100?06

Abstract： On the basis of the network clock conforming IEEE 1588 protocol， the clock synchronization design based on autoregression algorithm is proposed to improve the clock synchronization precision of the measurement and control network. By establishing the autoregression clock offset model， the one?order Kalman filter is used to estimate the clock offset and drift of the master?slave clock. According to the estimation value， the clock is compensated and corrected， and the clock drift is predicted to maintain the synchronization of master?slave clock when the highest signal of master clock is lost in the measurement and control network. The experimental results show that the design can effectively reduce the influence of timestamp acquisition accuracy on clock synchronization， make the clock synchronization accuracy reach up to 10 ns， and improve the system synchronization reliability at offline state.

Keywords： clock synchronization； IEEE 1588 protocol； autoregression； Kalman filtering； clock drift prediction； measurement and control network

0 引 言

隨著信息技術(shù)和應(yīng)用科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有的測控系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足目前的測量和控制要求，分布式測控網(wǎng)絡(luò)在各個領(lǐng)域的優(yōu)勢逐漸體現(xiàn)。分布式測控系統(tǒng)通過局域網(wǎng)實現(xiàn)系統(tǒng)中所有模塊的相互連接，同時保持網(wǎng)絡(luò)上各個終端的時鐘同步。只有各時鐘信號同步，測控網(wǎng)絡(luò)上的測量和控制任務(wù)才有意義，所以時鐘同步精度是分布式測控系統(tǒng)中一個重要指標。

現(xiàn)階段大多數(shù)分布式測控網(wǎng)絡(luò)仍是基于GPS和NTP（Network Time Protocol）協(xié)議搭建網(wǎng)絡(luò)。例如，電力監(jiān)控系統(tǒng)的時鐘同步系統(tǒng)仍是無線網(wǎng)信號基站的時鐘同步信號方式，該時鐘網(wǎng)絡(luò)能使時鐘同步信號精度達到毫秒級。但隨著測控系統(tǒng)在各領(lǐng)域上的廣泛應(yīng)用且日益提高的測控要求，成本降低和精度上的提高成為必須要考慮的問題。GPS模塊成本高、維護難、安裝施工難度大[1]，且針對計算機網(wǎng)絡(luò)同步的NTP協(xié)議和SNTP（Simple Network Time Protocol）協(xié)議精度差、可靠性低[2]。另外，隨著報文背景流量的增大也使得時間標記的誤差和波動增加[3]。2008年提出的IEEE 1588v2協(xié)議在IEEE 1588?2002協(xié)議中加入了透明時鐘（P2P，E2E）和對等延時響應(yīng)機制，可以很好地解決上述問題。

本文針對硬件添加制約了高兼容性的以太網(wǎng)的問題，設(shè)計了基于自回歸算法的同步時鐘，利用自回歸時鐘漂移模型和卡爾曼濾波可以實現(xiàn)對主從時鐘的時鐘漂移量和頻率漂移量的估計，以估計值對從時鐘進行補償和修正，較本地時鐘同步算法能獲得更高的精度和更平滑的時鐘偏差曲線。而當(dāng)失去最高主時鐘信號后，自回歸時鐘漂移模型會根據(jù)之前所獲數(shù)據(jù)進行時鐘漂移的估計，在24 h內(nèi)維持主從時鐘同步。

4 實驗結(jié)果

為了驗證本文提出的基于自回歸算法的網(wǎng)絡(luò)同步時鐘設(shè)計，以圖5的接線方式搭建硬件測試平臺。使用WireShark軟件獲得主從時鐘DP83640上的硬件時間戳，再通過軟件Origin根據(jù)獲得的時間戳計算后得到的值繪制出主從時鐘漂移曲線。用以計算估計值時鐘模型的漂移設(shè)為3×10-6，時鐘晶振的振動偏差設(shè)為1×10-11，時鐘偏移模型套用式（7）。測試條件見表1。

實驗一對采用自回歸算法的網(wǎng)絡(luò)同步時鐘設(shè)計的可行性和優(yōu)越性進行驗證。對比采用IEEE 1588v2協(xié)議及同步誤差補償算法的網(wǎng)絡(luò)時鐘和僅使用IEEE 1588?2002協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)時鐘，透明時鐘、對等延時響應(yīng)機制和同步誤差補償有效降低了報文擁堵，即背景流量的變化對同步的影響和報文延時波動帶來的同步偏差，提高了時鐘同步精度。如圖6所示，精度分別可以達到23 ns和17 ns左右，對應(yīng)的系統(tǒng)標準方差分別為37.49 ns和3.04 ns。但是該系統(tǒng)沒有解決由于時間積累，在主從時鐘之間造成的時鐘漂移積累誤差以及在實際運行過程中主從時鐘之間的傳輸延時不完全對稱性造成的對時鐘同步的延時補償計算偏差，降低了時鐘同步的精度。

圖7為引入了自回歸算法的網(wǎng)絡(luò)同步時鐘的時鐘精度?？柭鼮V波算法的觀測值由時鐘實際運行所得到的時間標記通過式（7）計算獲得。并將每次同步后獲得的數(shù)據(jù)代入迭代式（15）～式（19）中，對時鐘漂移和時鐘晶振的振動偏差進行估計，并通過估計值對時鐘的偏差進行補償和修正。由于解決了時間積累而造成的時鐘漂移偏差累積和實際線路主從延時不完全對稱而造成的延時計算誤差，較本地時鐘同步算法的同相和同頻的校準方式[11]有很大提高，同步精度提高到10 ns左右，對應(yīng)的系統(tǒng)方差降低到2.08 ns。

實驗二是對基于自回歸算法的時鐘漂移預(yù)測，即時鐘序列預(yù)測的可行性驗證。在長時間丟失信號的情況下（2～24 h），時間序列預(yù)測可以保持各節(jié)點的同步。即便經(jīng)過24 h，且在一些保護功能被關(guān)閉的情況下，時間預(yù)測的最終延遲[θ]仍能保持在大致30 μs的延遲范圍，如圖8所示。

最大延遲[Θ]幾乎按照線性的方式隨時間增長，但在24 h內(nèi)仍可以控制在47 μs內(nèi)，如圖9所示。當(dāng)再次接收到時鐘信號后，節(jié)點同步也可再次進行（替代完全的重新初始化，節(jié)省了資源和時間），與在寬松的同步精度要求下保持同步的運行。然而這種預(yù)測非常耗時，且必須在系統(tǒng)的主節(jié)點上運行。但相比于不采用任何技術(shù)，4 s后就能達到200 μs的結(jié)果，該方式能夠極大地提高網(wǎng)絡(luò)同步時鐘在離線情況下的同步可靠性。

5 結(jié) 語

在測控系統(tǒng)中，基于IEEE 1588協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)時鐘雖然能夠使分布式系統(tǒng)的同步精度達到亞微秒級，但是忽略了時鐘漂移的偏差隨時間積累而隨之改變的問題，也忽略了對主從時鐘之間傳輸延時不完全對稱造成的誤差。本文提出的基于自回歸算法的網(wǎng)絡(luò)時鐘同步設(shè)計很好地解決了上述問題，通過對時鐘漂移和晶振振動偏差的估計，對實際時鐘運行的偏差進行補償，使得時鐘在各時間段都能保持最小的誤差。加入了時鐘序列預(yù)測也很好地解決了同步時鐘網(wǎng)絡(luò)在處于離線狀態(tài)下可靠運行的問題。

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